特開 2024-114085 エンジンシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024114085

(43)【公開日】2024-08-23

(54)【発明の名称】エンジンシステム

(51)【国際特許分類】

   F02D 19/02 20060101AFI20240816BHJP

   F02D 13/02 20060101ALI20240816BHJP

   F02D 45/00 20060101ALI20240816BHJP

【ＦＩ】

F02D19/02 B

F02D13/02 J

F02D45/00 368S

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023019487

(22)【出願日】2023-02-10

(71)【出願人】

【識別番号】000002967

【氏名又は名称】ダイハツ工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003812

【氏名又は名称】弁理士法人いくみ特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】正月 宏明

(72)【発明者】

【氏名】澤下 真人

【テーマコード（参考）】

3G092

3G384

【Ｆターム（参考）】

3G092AB09

3G092FA16

3G092HA13X

3G092HB02X

3G092HC01Z

3G092HC05Z

3G384AA01

3G384AA14

3G384BA18

3G384BA26

3G384DA35

3G384DA44

3G384FA16Z

3G384FA29Z

3G384FA33Z

3G384FA34Z

3G384FA49Z

(57)【要約】

【課題】ガソリンよりも着火しやすい水素を燃料として使用した場合に、プレイグニッションの発生によって吸気システムが破損してしまうことを抑制できるエンジンシステムを提供する。
【解決手段】
エンジンシステム１は、エンジン２と、エンジン２の燃焼室Ｃ内に水素を噴射可能なインジェクタ４と、インジェクタ４を制御する制御装置６とを備える。制御装置６は、インジェクタ４が水素の噴射を開始する噴射開始タイミングを変更して、吸気バルブ２２が閉じるタイミング以後に、インジェクタ４に水素の噴射を開始させる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

エンジンと、
前記エンジンの燃焼室内に水素を噴射可能なインジェクタと、
前記インジェクタを制御する制御装置と
を備え、
前記制御装置は、
前記インジェクタが水素の噴射を開始する噴射開始タイミングを変更して、前記吸気バルブが閉じるタイミング以後に、前記インジェクタに水素の噴射を開始させる第１噴射制御を実行可能である、エンジンシステム。

【請求項2】

吸気管または燃焼室内の圧力を測定可能な圧力センサをさらに備え、
前記制御装置は、
前記圧力センサで測定された圧力が閾値未満である場合、一定の前記噴射開始タイミングで、前記インジェクタに水素の噴射を開始させる第２噴射制御を実行し、
前記圧力センサで測定された圧力が前記閾値以上になった場合、前記第１噴射制御を実行する、請求項１に記載のエンジンシステム。

【請求項3】

前記エンジンの吸気バルブの開閉タイミングを変更可能な可変バルブタイミング機構をさらに備え、
前記制御装置は、前記第１噴射制御において、前記吸気バルブの開閉タイミング、および、前記インジェクタが水素の噴射を開始する噴射開始タイミングの少なくとも一方を変更して、前記吸気バルブが閉じるタイミング以後に、前記インジェクタに水素の噴射を開始させる、請求項１に記載のエンジンシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エンジンシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、水素を燃料とする内燃機関が知られている。

【0003】

このような内燃機関を制御する制御装置として、例えば、筒内圧の変動から、プレイグニッションの発生、および、バックファイアの発生を検知し、プレイグニッションの発生を検知した場合、燃焼速度を上昇させるための制御を実行し、バックファイアの発生を検知した場合、筒内温度を低下させるための制御を実行する制御装置が提案されている（例えば、下記特許文献１参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１６－１３０４７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載されるように、吸気バルブが開いた状態でプレイグニッションが発生すると、吸気管内の圧力が過度に増大する可能性がある。吸気管内の圧力が過度に増大すると、スロットルバルブなど、吸気システムを構成する部品が破損してしまう可能性がある。

【0006】

本発明の目的は、ガソリンよりも着火しやすい水素を燃料として使用した場合に、プレイグニッションの発生によって吸気システムが破損してしまうことを抑制できるエンジンシステムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明［１］は、エンジンと、前記エンジンの燃焼室内に水素を噴射可能なインジェクタと、前記インジェクタを制御する制御装置とを備え、前記制御装置が、前記インジェクタが水素の噴射を開始する噴射開始タイミングを変更して、前記吸気バルブが閉じるタイミング以後に、前記インジェクタに水素の噴射を開始させる第１噴射制御を実行可能である、エンジンシステムを含む。

【0008】

このような構成によれば、制御装置は、吸気バルブが閉じるタイミング以後に、インジェクタに水素の噴射を開始させる。

【0009】

そのため、インジェクタが燃焼室内に水素を噴射した後にプレイグニッションが発生したとしても、吸気バルブが閉じているので、吸気管内の圧力が過度に増大することを抑制できる。

【0010】

その結果、プレイグニッションの発生によって吸気システムが破損してしまうことを抑制できる。

【0011】

本発明［２］は、吸気管または燃焼室内の圧力を測定可能な圧力センサをさらに備え、前記制御装置が、前記圧力センサで測定された圧力が閾値未満である場合、前記吸気バルブの開閉タイミングを変更しつつ、一定の前記噴射開始タイミングで、前記インジェクタに水素の噴射を開始させる第２噴射制御を実行し、前記圧力センサで測定された圧力が閾値以上になった場合、前記第１噴射制御を実行する、上記［１］のエンジンシステムを含む。

【0012】

このような構成によれば、圧力センサで測定された圧力が閾値以上になり、プレイグニッションが発生した可能性がある場合に、噴射開始タイミングを変更できる。

【0013】

そのため、例えば、車両の加速時など、インジェクタからの水素の噴射量が増大して、プレイグニッションが発生しやすい条件下で、噴射開始タイミングを変更できる。

【0014】

本発明［３］は、前記エンジンの吸気バルブの開閉タイミングを変更可能な可変バルブタイミング機構をさらに備え、前記制御装置は、前記第１噴射制御において、前記吸気バルブの開閉タイミング、および、前記インジェクタが水素の噴射を開始する噴射開始タイミングの少なくとも一方を変更して、前記吸気バルブが閉じるタイミング以後に、前記インジェクタに水素の噴射を開始させる、上記［１］または［２］に記載のエンジンシステムを含む。

【0015】

このような構成によれば、エンジンシステムが可変バルブタイミング機構を採用している場合に、可変バルブタイミング機構を利用して、吸気バルブが閉じるタイミング以後に、インジェクタに水素の噴射を開始させることができる。

【0016】

詳しくは、可変バルブタイミング機構により、インジェクタが水素の噴射を開始する前に吸気バルブが閉じるように、吸気バルブの開閉タイミングを変更できる。

【発明の効果】

【0017】

本発明のエンジンシステムによれば、プレイグニッションの発生によって吸気システムが破損してしまうことを抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】図１は、本発明の一実施形態としてのエンジンシステムの概略構成図である。

【図2】図２は、エンジンシステムの制御を説明するためのフローチャートである。

【図3】図３は、変形例を説明するためのフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0019】

１．エンジンシステム
図１に示すように、エンジンシステム１は、エンジン２と、可変バルブタイミング機構３と、インジェクタ４と、点火プラグ５と、制御装置６とを備える。エンジンシステム１は、例えば、車両に搭載される。

【0020】

（１）エンジン
エンジン２は、水素を燃料とする。エンジン２は、例えば、直噴４ストロークエンジンである。エンジン２は、複数（例えば、４つ）のシリンダ２１を備える。なお、以下の説明では、エンジン２の複数のシリンダ２１のうちの１つのシリンダ２１について説明し、残りのシリンダ２１についての説明を省略する。

【0021】

エンジン２は、シリンダ２１と、吸気バルブ２２と、排気バルブ２３と、吸気側カム２４と、排気側カム２５と、ピストン２６と、クランクシャフト２７と、コネクティングロッド２８とを備える。

【0022】

シリンダ２１は、吸気ポート２１１と、排気ポート２１２とを有する。吸気ポート２１１は、吸気マニホールドを介して吸気管と接続される。排気ポート２１２は、排気マニホールドを介して排気管と接続される。

【0023】

吸気バルブ２２は、吸気ポート２１１を開閉する。吸気バルブ２２は、吸気ポート２１１を閉じる閉位置と、吸気ポート２１１を開ける開位置との間を移動可能である。

【0024】

排気バルブ２３は、排気ポート２１２を開閉する。排気バルブ２３は、排気ポート２１２を閉じる閉位置と、排気ポート２１２を開ける開位置との間を移動可能である。

【0025】

吸気側カム２４は、図示しないタイミングベルトまたはタイミングチェーンを介して、クランクシャフト２７の回転と同期して回転可能である。吸気側カム２４は、吸気バルブ２２を、閉位置から開位置に向けて押圧可能である。

【0026】

排気側カム２５は、図示しないタイミングベルトまたはタイミングチェーンを介して、クランクシャフト２７の回転と同期して回転可能である。排気側カム２５は、排気バルブ２３を、閉位置から開位置に向けて押圧可能である。

【0027】

ピストン２６は、シリンダ２１内を往復する。ピストン２６の頭部とシリンダ２１の内面とで区画される空間が、燃焼室Ｃである。燃焼室Ｃは、吸気ポート２１１および排気ポート２１２と通じる。

【0028】

クランクシャフト２７は、複数のシリンダ２１が並ぶ方向に延びる。クランクシャフト２７は、軸線Ａについて回転可能である。軸線Ａは、複数のシリンダ２１が並ぶ方向に延びる。クランクシャフト２７は、ピストン２６の往復運動を回転運動に変換する。

【0029】

詳しくは、クランクシャフト２７は、メインジャーナル２７１と、クランクピン２７２と、クランクアーム２７３と、カウンターウェイト２７４とを有する。

【0030】

メインジャーナル２７１は、軸線Ａに沿って延びる。メインジャーナル２７１は、円柱形状を有する。クランクピン２７２は、軸線Ａが延びる方向と直交する方向において、メインジャーナル２７１から離れて配置される。クランクピン２７２は、軸線Ａが延びる方向に延びる。クランクピン２７２は、円柱形状を有する。クランクアーム２７３は、メインジャーナル２７１とクランクピン２７２とを接続する。カウンターウェイト２７４は、メインジャーナル２７１に対して、クランクピン２７２の反対側に配置される。

【0031】

コネクティングロッド２８は、ピストン２６と、クランクシャフト２７のクランクピン２７２とを接続する。

【0032】

（２）可変バルブタイミング機構
可変バルブタイミング機構３は、吸気側カム２４のシャフトに取り付けられる。可変バルブタイミング機構３は、吸気側カム２４をクランクシャフト２７に対して進角または遅角させることにより、吸気バルブ２２の開閉タイミングを変更可能である。なお、吸気側カム２４の位置は、図示しないカム角センサによって検知される。可変バルブタイミング機構３は、制御装置６と電気的に接続される。

【0033】

（３）インジェクタ
インジェクタ４は、燃料としての水素を燃焼室Ｃ内に噴射可能である。インジェクタ４は、制御装置６と電気的に接続される。

【0034】

（４）点火プラグ
点火プラグ５は、燃焼室Ｃ内の水素に点火する。点火プラグ５は、具体的には、スパークプラグである。点火プラグ５は、制御装置６と電気的に接続される。

【0035】

（５）制御装置
制御装置６は、例えば、車両における電気的な制御を実行するＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）である。制御装置６は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）およびＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）を有する。

【0036】

制御装置６は、可変バルブタイミング機構３、インジェクタ４および点火プラグ５を制御する。

【0037】

２．エンジンシステム１の制御
次に、エンジンシステム１の制御について説明する。なお、以下の説明における「タイミング」は、クランクシャフト２７の回転角（クランク角）で表され、図示しないクランク角センサによって検知される。

【0038】

車両のイグニッションスイッチがオンされると、制御装置６が起動する。

【0039】

すると、制御装置６は、まず、エンジン２に対して要求する要求トルクを演算する（Ｓ１）。

【0040】

要求トルクとして、例えば、エンジン２のアイドリングを維持するために必要な要求トルク、運転者のアクセル開度に応じた要求トルク、電気機器（例えば、エアコン、オルタネータなど）を作動させるために必要な要求トルクなどが挙げられる。

【0041】

次に、制御装置６は、第１噴射制御（Ｓ２～Ｓ６）を実行する。第１噴射制御では、制御装置６は、吸気バルブ２２が閉じるタイミング以後に、インジェクタ４に水素の噴射を開始させる。なお、「吸気バルブ２２が閉じるタイミング」とは、吸気バルブ２２が「完全に」閉じるタイミングをいう。

【0042】

第１噴射制御では、制御装置６は、まず、要求トルクの総和（全要求トルク）に基づいて、インジェクタ４の噴射時間Ｔを取得する（Ｓ２）。なお、噴射時間Ｔは、全要求トルクから計算されてもよいし、全要求トルクと噴射時間Ｔとの制御マップから取得されてもよい。

【0043】

次に、制御装置６は、噴射開始タイミングを計算する（Ｓ３）。噴射開始タイミングは、インジェクタ４が水素の噴射を開始するタイミングである。制御装置６は、点火タイミングから噴射時間Ｔ以上前にインジェクタ４が水素の噴射を開始するように、噴射開始タイミングを計算する。点火タイミングは、点火プラグ５が燃焼室Ｃ内の水素に点火するタイミングである。点火タイミングから噴射時間Ｔ以上前にインジェクタ４が水素の噴射を開始することにより、インジェクタ４は、点火タイミングまでに水素の噴射を完了できる。

【0044】

次に、制御装置６は、吸気バルブ２２が閉じるタイミング以後にインジェクタ４が水素の噴射を開始するように、吸気バルブ２２の開閉タイミング、および、噴射開始タイミングの少なくとも一方を変更する。

【0045】

例えば、インジェクタ４の噴射開始タイミングが吸気バルブ２２が閉じるタイミングよりも前である場合、制御装置６は、インジェクタ４の噴射開始タイミングを遅角させて、インジェクタ４の噴射開始タイミングを、吸気バルブ２２が閉じるタイミングよりも後に変更する。

【0046】

ここで、インジェクタ４の噴射開始タイミングを吸気バルブ２２が閉じるタイミングよりも後に変更した場合、インジェクタ４が水素の噴射を完了するタイミングが点火タイミングよりも後になってしまう場合がある。

【0047】

この場合、制御装置６は、吸気バルブ２２の開閉タイミングを調整する必要があると判断し（Ｓ４：ＹＥＳ）、吸気バルブ２２の開閉タイミングを調整する（Ｓ５）。

【0048】

詳しくは、制御装置６は、点火タイミングまでにインジェクタ４が水素の噴射を完了できる程度にインジェクタ４の噴射開始タイミングを遅角させるとともに、吸気バルブ２２が閉じるタイミングがインジェクタ４の噴射開始タイミングよりも前になるように、吸気バルブ２２の開閉タイミングを進角させる。

【0049】

なお、制御装置６は、インジェクタ４の噴射開始タイミングを変更しないで、吸気バルブ２２が閉じるタイミングがインジェクタ４の噴射開始タイミングよりも前になるように、吸気バルブ２２の開閉タイミングを進角させてもよい。

【0050】

次に、制御装置６は、調整された噴射開始タイミングでインジェクタ４に水素の噴射を開始させ、噴射時間Ｔの間、インジェクタ４に水素を噴射させる（Ｓ６）。

【0051】

そして、制御装置６は、車両のイグニッションスイッチがオフされるまで（Ｓ７：ＮＯ）、要求トルクの演算処理（Ｓ１）および第１噴射制御（Ｓ２～Ｓ６）を繰り返す。

【0052】

なお、車両のイグニッションスイッチがオフされた場合（Ｓ７：ＹＥＳ）、制御装置６は、要求トルクの演算処理（Ｓ１）および第１噴射制御（Ｓ２～Ｓ６）を終了する。

【0053】

３．作用効果
（１）エンジンシステム１によれば、図２に示すように、制御装置６は、第１噴射制御（Ｓ２～Ｓ６）により、吸気バルブ２２が閉じるタイミング以後に、インジェクタ４に水素の噴射を開始させる。

【0054】

そのため、インジェクタ４が燃焼室Ｃ内に水素を噴射した後にプレイグニッションが発生したとしても、吸気バルブ２２が閉じているので、吸気管内の圧力が過度に増大することを抑制できる。

【0055】

その結果、プレイグニッションの発生によって吸気システムが破損してしまうことを抑制できる。

【0056】

（２）エンジンシステム１は、図１に示すように、可変バルブタイミング機構３をさらに備える。

【0057】

そして、制御装置６は、第１噴射制御（Ｓ２～Ｓ６）において、吸気バルブ２２の開閉タイミング、および、インジェクタ４の噴射開始タイミングの少なくとも一方を変更して、吸気バルブ２２が閉じるタイミング以後に、インジェクタ４に水素の噴射を開始させる。

【0058】

そのため、可変バルブタイミング機構３により、インジェクタ４が水素の噴射を開始する前に吸気バルブ２２が閉じるように、吸気バルブ２２の開閉タイミングを変更できる。

【0059】

その結果、可変バルブタイミング機構３を利用して、吸気バルブ２２が閉じるタイミング以後に、インジェクタ４に水素の噴射を開始させることができる。

【0060】

４．変形例
次に、変形例について説明する。変形例において、上記した実施形態と同様の部材および処理には同じ符号を付し、説明を省略する。

【0061】

（１）図３に示すように、制御装置は、上記した第１噴射制御（Ｓ２～Ｓ６）と、第２噴射制御（Ｓ１２）とを実行可能であってもよい。

【0062】

エンジンシステム１は、圧力センサの一例としての吸気圧センサ１０１（図１参照）を備える。吸気圧センサ１０１は、吸気管１０２（図１参照）内の圧力を測定可能である。

【0063】

制御装置６は、吸気圧センサ１０１で測定された圧力Ｐが閾値Ｐ１未満である場合（Ｓ１１：ＮＯ）、第２噴射制御を実行する（Ｓ１２）。

【0064】

第２噴射制御では、制御装置６は、可変バルブタイミング機構３を制御し、全要求トルクに応じて吸気バルブ２２の開閉タイミングを変更する。一方、制御装置６は、噴射開始タイミングを変更しないで、一定の噴射開始タイミングで、インジェクタ４に水素の噴射を開始させる。

【0065】

そのため、第２噴射制御では、吸気バルブ２２が閉じるタイミングよりも前に、インジェクタ４が水素の噴射を開始する場合がある。

【0066】

この場合、燃焼室Ｃ内に噴射された水素が点火プラグ５によって点火される前に着火してしまう（プレイグニッション）可能性がある。

【0067】

吸気バルブ２２が閉じる前にプレイグニッションが発生すると、吸気管１０２内の圧力が過度に増大し、吸気圧センサ１０１で測定された圧力Ｐが閾値Ｐ１以上になる場合がある。

【0068】

制御装置６は、吸気圧センサ１０１で測定された圧力Ｐが閾値Ｐ１以上になった場合（Ｓ１１：ＹＥＳ）、上記した第１噴射制御（Ｓ２～Ｓ６）を実行する。

【0069】

この変形例でも、上記した実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

【0070】

また、この変形例によれば、吸気圧センサ１０１で測定された圧力Ｐが閾値Ｐ１以上になり、プレイグニッションが発生した可能性がある場合に、噴射開始タイミングを変更できる。

【0071】

そのため、例えば、車両の加速時など、インジェクタ４からの水素の噴射量が増大して、プレイグニッションが発生しやすい条件下で、噴射開始タイミングを変更できる。

【0072】

なお、制御装置６は、圧力センサの一例としての図示しない筒内圧センサに基づいて、第１噴射制御と第２噴射制御とを切り替えてもよい。筒内圧センサは、燃焼室Ｃ内の圧力を測定可能である。

【0073】

（２）上記した実施形態では、可変バルブタイミング機構３を採用したが、可変バルブタイミング機構３を採用せずに、インジェクタ４の噴射開始タイミングを吸気バルブ２２が閉じるタイミングよりも後に出来る範囲で噴射時間Ｔの上限値を定めてもよい。

【符号の説明】

【0074】

１ エンジンシステム
２ エンジン
３ 可変バルブタイミング機構
４ インジェクタ
６ 制御装置
２２ 吸気バルブ
１０１ 吸気圧センサ

【図1】

【図2】

【図3】